黄衡亮，杨发文，宋福如，肖 平，乜雪雷，何 璇，王章伟，熊双莲，涂书新，6*

（1.华中农业大学资源与环境学院，湖北 武汉 430070；2.河北硅谷农业科学院，河北 邯郸 057151；3.湖北省公安县农业局农科所，湖北 荆州 434300；4.河北省永年区农牧局，河北 邯郸 057151；5.湖北省恩施州鹤峰县农业生态环境保护站，湖北 恩施 445800；6.主要粮食作物产业化湖北省协同创新中心，湖北 荆州 434045）

玉米是我国主要的粮食作物。近些年来，我国玉米的种植面积及总产不断增长，但据统计预测，随着国际贸易争端和关税问题常态化，我国仍将存在玉米生产安全及需求缺口的问题［1-3］。施用化肥可增加粮食单产55%～57%，但肥料的不合理使用会造成资源浪费和环境污染问题［4-5］，因此，通过提高作物对养分的吸收提高作物产量是解决玉米需求问题的重要途径之一。

硅在地壳和土壤中含量丰富，主要以硅酸的形式被植物吸收。大量研究均表明，施用硅肥促进植物生长发育，提高作物对养分的吸收、积累［6-12］。朱从桦等［9］研究结果显示，施硅肥不仅能提高土壤速效磷含量，还能提高玉米植株氮、磷、钾吸收量及籽粒产量。不过，过去的这些研究采用的是无机硅，运用有机硅肥提高作物养分吸收和积累的报道却鲜见。

镉是环境中毒性最强的重金属之一，农田中少量的镉（土壤镉0.3～0.8 mg/kg）就会对农产品产生污染，危害生态环境和人体健康。施用硅肥能有效钝化土壤镉［13-14］，有效降低镉的生物有效性［13，15］，减少农作物对重金属的吸收［15-16］。但有关有机硅与肥料结合对于镉的防控作用尚未见报道。本研究采用大田试验，探讨了有机硅改性复合肥对玉米养分和镉吸收的影响，为有机硅改性复合肥在玉米生产、重金属污染防控的应用提供依据和手段。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验为田间小区试验。试验于2017年5～11月在湖北省公安县章庄铺镇（东经 111°58′33″，北纬 29°52′40″）进行。供试土壤为棕红壤，土壤pH值5.18，有机质28.20 g/kg，碱解氮90.54 mg/kg，有效磷9.35 mg/kg，速效钾97.10 mg/kg，Cd含量0.25 mg/kg。种植作物为夏玉米（Zea maysL.），品种为临奥一号。

供试有机硅改性复合肥（OSiF）（18-18-18）由河北硅谷农业科学院生产并提供。OSiF含有氮磷钾及有机硅等多种植物必需的营养成分，是一种完全水溶并具有缓释性能的复合肥［17］。

1.2 试验设计

本试验研究不同肥料对玉米的肥料效果及降低玉米重金属的作用。共设计4个处理，分别为（1）不施肥，处理代号CK；（2）普通复合肥（27-10-14），市售肥料，施用量按当地农户习惯，为825kg/hm2；（3）OSiF（18-18-18），施用量 750kg/hm2，处理代号OSiF750；（4）OSiF（18-18-18），施用量1 050kg/hm2，处理代号OSiF1050。

肥料按整地时基肥70%、大喇叭口期追施穗肥30%的方式施用。每个处理3个重复，每个重复小区面积为20 m2（4 m×5 m）。2017年5月31日取土壤基本样，整地施肥；6月1日玉米播种；6月18日进行间苗补苗，每个试验小区保苗120株；9月8日取成熟期样品。其他农事管理根据需要统一进行。

1.3 化学测定方法

1.3.1 基本指标及养分含量测定

在整地施肥前五点取样进行本底土样的采集，土样制备、过0.85 mm筛，运用常规方法进行土壤pH值（电极法）、有机质（重铬酸钾容量法-外加热法）、碱解氮（碱解扩散法）、有效磷（0.5 mol/L NaHCO3法）、速效钾（NH4OAc浸提，火焰光度法）的测定［18］。

玉米成熟期，每个处理选取具有代表性的3个重复，测定玉米株高，取样，按茎秆、籽粒、苞叶、棒子分装于档案袋中，105℃杀青0.5 h后60℃烘干至恒重，分别称重，测量棒长，然后分部位粉碎供氮磷钾的测定。氮（N）、磷（P）、钾（K）含量采用H2SO4-H2O2消煮，N、P采用流动注射分析仪分析法，K采用火焰光度法进行测定。

1.3.2 重金属Cd及其形态的测定

分别取制备后过0.15 mm筛的本底土样和玉米拔节期的土样，土壤全镉采用HNO3-HCl-HClO4法消解，石墨炉原子吸收分光光度法测定；土壤不同形态Cd含量采用改进BCR法进行测定［19］；玉米拔节期和成熟期各部位植物样Cd含量采用混酸（HNO3∶HClO4=9∶1）法消解，石墨炉原子吸收分光光度法进行测定［20］。

1.4 数据统计分析

使用SPSS 20进行数据统计分析，采用LSD方法（P＜0.05）进行平均值的显著性比较。图表采用Excel 2016和SigmaPlot 12.0进行绘制。

2 结果与分析

2.1 有机硅改性复合肥（OSiF）对玉米生长及产量的影响

施用OSiF显著促进玉米生长（表1）。成熟期测定玉米株高的结果表明，与不施肥相比，施用有机硅改性复合肥OSiF750和OSiF1050分别显著提高玉米株高24%和32%；与施用普通复合肥相比，施用有机硅改性复合肥OSi750和OSi1050分别提高株高9%和16%。

表1 不同肥料对玉米株高、干重及产量的影响

从表1中玉米各部位干重可以看出，施用肥料显著增加玉米各部位的干重。施用普通复合肥相比于不施肥对照，茎叶、玉米棒、苞叶干重分别增加29%、115%和174%，总干重增加82%，其中茎叶和籽粒差异未达到显著水平。施用OSiF相比于不施肥干重增加更为明显，OSiF750和OSiF1050处理玉米茎叶、玉米棒、苞叶和总干重分别增加45%和45%、165%和173%、174%和154%、192%和189%，差异均达到显著水平。而与普通复合肥处理相比，OSiF750和OSiF1050处理的玉米总干重显著增加了60%和59%。

有机硅改性复合肥能显著提高玉米产量。由表1可知，OSiF750和OSiF1050处理与不施肥处理相比的玉米产量显著增加368%和361%；而相对普通复合肥处理也增产显著，增产率分别为127%和123%。不同有机硅改性复合肥施用量的产量差异不显著。计算整株干重中籽粒的分配比（收获系数）可知，不施肥、普通复合肥、OSiF750和OSiF1050处理分别为37%、41.5%、59%、58%，结果表明有机硅改性复合肥更利于提高玉米产量。

2.2 有机硅改性复合肥对玉米养分吸收的影响

表2的结果表明，各处理茎叶中N积累量顺序为普通复合肥＞OSiF1050＞OSiF750＞CK。普通复合肥、OSiF1050、OSiF750处理中N积累量相比不施肥处理分别增加了150%、143%、38%。苞叶中的N积累量与茎叶类似，分别增加了345%、62%、51%。而玉米棒和籽粒中的N积累量情况与此不同，OSiF1050和OSiF750处理中N积累量最高，其次是普通复合肥处理，OSiF1050、OSiF750和普通复合肥3个处理的玉米棒和籽粒中N积累量相比于不施肥处理分别增加了96%、177%、89%和510%、452%、221%。整株N积累量从高到低分别是OSiF1050、OSiF750和普通复合肥处理，比不施肥处理分别增加了333%、271%、194%。

表2 不同肥料处理的成熟期玉米各部位N积累量 （mg/株）

值得注意的是，相比于普通复合肥，有机硅改性复合肥OSiF1050、OSiF750处理的玉米籽粒N积累量显著增加90%和72%。有机硅改性复合肥OSiF750和OSiF1050处理含氮（N）分别是135 和189kg/hm2，均小于普通复合肥中含氮（N）222.75kg/hm2，说明有机硅复合肥相比普通复合肥更能促进玉米对N的吸收利用。

此外，在不考虑施用氮量多少的情况下，普通复合肥处理主要将N素积累在茎叶和苞叶中，而有机硅复合肥处理主要将N积累在籽粒和玉米棒中，说明有机硅改性复合肥促进养分向籽粒中运转，利于产量形成。

玉米不同部位P积累量结果见表3。结果表明，茎叶中以普通复合肥处理P积累量最高，其次是OSiF1050和OSiF750处理，分别比不施肥处理增加了106%、102%和79%；苞叶中P积累量趋势与此略有不同，普通复合肥处理比不施肥处理增加了99%，而OSiF1050和OSiF750显著下降50%左右。同N积累量一样，OSiF1050和OSiF750处理的玉米棒和籽粒中的P积累量相比普通复合肥处理明显增加，除OSiF1050处理的玉米棒外。玉米整株总P积累量以OSiF750处理最高，OSiF750、OSiF1050和普通复合肥处理的总P积累量比不施肥处理分别显著增加了186%、181%和136%。

表3 不同肥料处理的成熟期玉米各部位P积累量 （mg/株）

玉米不同部位K积累量结果见表4。结果表明，OSiF1050和OSiF750处理的玉米各部位K积累量均最高，其中茎叶部分K积累量增加较为明显，相比于不施肥处理分别显著增加了139%和150%，相比于普通复合肥处理分别增加了36%和42%。OSiF与普通复合肥同不施肥处理相比，玉米整株中总K积累量均显著增加，与籽粒中K积累量趋势一致，OSiF1050和OSiF750处理相比于不施肥处理分别增加了159%和182%，相比于普通复合肥处理分别增加了38%和51%。

表4 不同肥料处理的成熟期玉米各部位K积累量 （mg/株）

2.3 有机硅改性复合肥对玉米中Cd含量的影响

由图1可知，不同肥料处理的拔节期玉米茎叶中Cd含量差异显著。不施肥处理的玉米茎叶Cd含量最低，施用肥料后玉米Cd含量显著增加，其中普通复合肥处理的玉米Cd含量最高。与普通复合肥处理相比，施用OSiF的玉米Cd含量显著下降，OSiF750和OSiF1050处理分别下降了40%和45%，说明OSiF能显著降低拔节期玉米茎叶镉含量，但增加用量对降镉没有显著差异。

图1 不同肥料处理的拔节期玉米茎叶镉含量

图2反映了不同肥料处理的成熟期玉米茎叶、玉米棒、籽粒和苞叶中的镉含量。由图2A、B、C可知，与普通复合肥处理相比，OSiF750和OSiF1050的玉米各部位镉含量有所下降，其中茎叶、籽粒中下降明显，分别下降了43%和44%、11%和13%；玉米棒中下降了47%和61%。由图2D可知，苞叶中镉含量状况相反，施用OSiF750和OSiF1050相比普通复合肥处理增加了17%和14%，差异不显著。由图2C可知，施用OSiF750和OSiF1050处理的玉米籽粒Cd含量降低到不施肥处理籽粒Cd含量以下，分别下降了31%和32%，说明OSiF能有效降低成熟期玉米中镉含量。

图2 不同肥料处理的成熟期玉米各部位镉含量

2.4 有机硅改性复合肥对土壤pH和镉形态的影响

2.4.1 对土壤pH值的影响

图3是施用不同肥料后土壤pH值测定的结果。结果显示，普通复合肥处理的土壤pH值相对不施肥处理几乎没有变化，而OSiF750和OSiF1050处理的土壤pH值分别增加了0.13和0.23个单位，相对于普通复合肥处理也分别增加了0.11和0.21个单位，说明有机硅改性复合肥能提升酸性土壤的pH值。

图3 不同肥料处理的土壤pH值

2.4.2 对土壤镉形态的影响

由图4可知，与不施肥及普通复合肥处理相比，OSiF处理土壤可交换态镉占各种形态中比例下降了3%～7%及8%～11%。同时，相比于普通复合肥处理，OSiF1050处理可还原态镉比例增加21%，但可氧化态和残渣态镉所占比例差别不大；OSiF750处理结果和OSiF1050处理类似，但残渣态镉增加最多，为21%。上述测定结果表明，施用有机硅改性复合肥后，代表土壤活性镉的土壤可交换态镉下降，而代表缓效态或者无效态镉的可还原态镉及残渣态镉含量增加，说明有机硅改性复合肥处理能使土壤中镉钝化。

3 讨论

在田间条件下，研究了有机硅改性复合肥和普通复合肥对于玉米生长、产量形成及养分吸收和镉含量的影响。本试验条件下，施用有机硅改性复合肥显著提高玉米产量123%～127%（表1）。其机制首先可能是由于有机硅改性复合肥提高玉米对养分的吸收积累。与普通复合肥相比，玉米N的积累量提高26%～47%（表2），P的积累量提高19%～21%（表3），K的积累量提高38%～51%（表4），特别是籽粒中N、P、K积累量分别显著提高72%～90%、72%～82%、103%～128%（表2、3、4）。这一结果再次表明，籽粒中的养分含量与作物产量显著正相关。结果与朱从桦等［21］配施无机硅肥促进植物对N、P、K的吸收，增加产量的研究结果一致。其次，玉米产量的提高主要依赖于总干物重及收获系数的增加。本研究中，与普通复合肥相比，有机硅改性复合肥增加玉米总干重59%～60%，收获系数提高40%（表1），这成为玉米增产的基础。Fageria 等［22］、Gardner等［23］和齐文增等［24］有类似报道。如，齐文增等［24］的研究结果表明，高产夏玉米DH661茎、叶中的养分分配比例低于ZD958，而在籽粒和根系中的分配比例高于ZD958，说明籽粒中分配较多的养分有利于获得较高的收获系数，进而影响产量。另外，本研究结果表明，有机硅改性复合肥处理的玉米茎叶、玉米棒及苞叶K含量也明显提高，表明植物的抗逆性提高。任军等［25］研究表明，施硅能提高玉米抗逆性，改善玉米体内营养状况，增加产量。

本研究条件下，与普通复合肥相比，施用有机硅改性复合肥玉米拔节期茎叶Cd含量显著下降40%～45%，成熟期籽粒Cd含量下降11%～13%，说明有机硅改性复合肥能有效降低玉米中镉含量（图1、2）。许多研究表明，施用无机硅能降低玉米中镉含量［15-16，26］，这与有机硅对镉的影响类似。在探讨硅降低镉吸收的机制方面，武成辉等［14］研究了硅酸盐对小白菜的降镉效果和机制，结果表明，硅酸盐调理剂使酸性土壤pH值升高约1.4个单位，弱酸溶解态镉含量分别下降19.8%和9.40%。本研究也有类似结果，施用有机硅改性复合肥土壤pH值升高了0.13～0.23个单位（图3），表明有机硅改性复合肥主要通过升高pH值，控制重金属氢氧化物的溶解平衡移动，促进镉沉淀的生成。本研究也表明，施用有机硅改性复合肥土壤可交换态镉比例下降了8%～11%（图4），表明有机硅能够将土壤中有效态镉转变成难以利用的形态，从而抑制镉的吸收［15］。此外，有机硅还可能通过对玉米生理生化性状的调节来降低植物体中的镉。史新慧等［27］研究表明，硅通过调节植物的生理过程，增强植物抗氧化系统，提高清除自由基的能力来减轻镉对植物体造成的伤害；马捷［28］报道了在镉胁迫下，有机硅能改善细胞内蛋白质利用效率，并维持细胞正常生理生化功能来抑制镉离子的吸收和运转。

图4 不同肥料处理的土壤镉形态

4 结论

有机硅改性复合肥促进玉米生长，提高玉米产量。与普通复合肥相比，有机硅改性复合肥显著提高玉米对肥料N、P、K的吸收利用，提高植株各部位干物重及收获系数。同时，有机硅改性复合肥降低玉米中Cd含量，主要通过提升酸性土壤pH值，促进土壤可交换态镉向缓效态镉转化来实现。